統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性研究

李海燕，解紹鋒，孫鏡堤，張 凱

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統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性研究

李海燕，解紹鋒，孫鏡堤，張 凱

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)主變電所采用組合式同相供電技術(shù)，解決了負序問題，并對無功功率和諧波電流進行了補償，改善了牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，同時取消了電分相，可解決采用交流供電制式的城軌交通系統(tǒng)的機車過分相和直流系統(tǒng)雜散電流問題。本文采用GO分析法對統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的可靠性進行評估，并分析了影響統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)；組合式同相供電；GO分析法

0 引言

目前我國電氣化鐵路采用單相工頻交流制，通過牽引網(wǎng)為牽引負荷供電[1]。牽引負荷是一種單相電力負荷，具有單相獨立性和不對稱性，破壞了系統(tǒng)的三相對稱性，產(chǎn)生負序電流[2]，導(dǎo)致電能質(zhì)量變差。現(xiàn)有的解決方案包括有源濾波器（APF）、混合型有源濾波器和靜止無功發(fā)生器（SVG）等，通過對電氣化鐵路中負序與諧波的治理，解決了牽引供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題[3]，但是這些方案均無法解決機車過分相存在的問題。

牽引供電系統(tǒng)中的電分相制約了列車的速度，同時也使得重載情況下負序和諧波問題更為嚴重。文獻[4～6]介紹了解決該問題的技術(shù)方案之一—同相供電技術(shù)；文獻[7]提出了電氣化鐵路無分相的貫通式同相供電系統(tǒng)，并討論了其3項關(guān)鍵技術(shù)。城軌交通系統(tǒng)采用直流供電系統(tǒng)雖然避免了電分相的問題，但雜散電流的問題也急需解決。

在研究干線鐵路同相供電和城市軌道交通工頻交流供電的基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)干線鐵路和城市軌道無分相、不間斷供電和彼此互聯(lián)互通，本文提出一種新型牽引供電系統(tǒng)和干線鐵路與城市軌道相統(tǒng)一的牽引供電方式[8]，該新型系統(tǒng)稱為統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)。其中干線鐵路取消分區(qū)所電分相，實現(xiàn)連通供電，省去車載牽引變壓器而直接向列車（機車、動車）交直交電傳動系統(tǒng)供電；城軌交通實施交流供電，并且進一步使干線鐵路與城軌交通實現(xiàn)同相和統(tǒng)一電壓等級供電并連通，便于干線鐵路與城軌互聯(lián)互通和乘客換乘。

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)將干線鐵路與城軌交通統(tǒng)一起來，是由較高電壓的供電網(wǎng)與較低電壓的牽引網(wǎng)相結(jié)合的階梯供電方案。該系統(tǒng)由主變電所和牽引供電網(wǎng)2部分組成，參考城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)，主變電所的主牽引母線（單相）額定（相間）電壓取35 kV[8]。統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中采用組合式同相供電技術(shù)，組合式同相供電裝置中，牽引功率由牽引變壓器和同相補償裝置（CPD）共同提供，平衡接線變壓器兩供電臂使輸出的功率相等，可以解決負序問題；同相補償裝置對機車負荷中的無功功率和諧波電流進行補償。采用組合式同相供電裝置可以全面改善牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1 統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)介紹

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的原理如圖1所示。統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)由主變電所（SSi、SSj）、供電線（PSi、PSj、PRi、PRj）、牽引變壓器（Ti）、接觸供電線（CSi、CSj、CRi、CRj）以及開閉所（SP）構(gòu)成。正常情況下SP中開關(guān)B打開，開關(guān)K閉合，越區(qū)供電時開關(guān)B閉合。電能從主變電所流向中壓（35 kV）供電網(wǎng)，再通過牽引變壓器流向低壓接觸供電線。統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)采用同相供電方案，所有主變電所均從電力系統(tǒng)的同一相取電，由此產(chǎn)生的負序問題通過在主變電所中設(shè)置同相補償裝置進行集中補償解決。

圖1 統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)原理

為了促進統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的工程實踐，本文采用GO分析法對其可靠性進行評估。GO法以成功為導(dǎo)向，采用GO法進行系統(tǒng)可靠性分析時不考慮非正常工作狀態(tài)下的越區(qū)供電，即不考慮開閉所的影響。

2 統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)各部分可靠性分析

2.1 同相補償裝置可靠性分析

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中主變電所采用單相組合式同相供電系統(tǒng)，在主變電所中設(shè)置負序補償裝置，對負序問題進行集中治理。組合式同相供電是將以負序補償為核心的對稱補償技術(shù)和單相變壓器的功能相結(jié)合，負序補償量根據(jù)實際情況設(shè)置，單相主變壓器和負序補償裝置在結(jié)構(gòu)上相互獨立。圖2為直接供電方式下單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 直供方式下單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主變電所內(nèi)110 kV/35 kV主牽引變壓器（TT）和同相補償裝置（CPD）是主要的供電設(shè)備。CPD由牽引匹配變壓器（TMT）、交直交變流器（ADA）和高壓匹配變壓器（HMT）構(gòu)成。對于單相組合式同相供電系統(tǒng)，其同相補償裝置為單相結(jié)構(gòu)。正常運行時，為供電網(wǎng)供電的任務(wù)由主變壓器（TT）和同相補償裝置（CPD）共同完成，TT和HMT構(gòu)成一種特殊的Scott接線，其中主變壓器擔負主要的供電任務(wù)，同相供電裝置擔負次要供電任務(wù)及實現(xiàn)負序補償，原理詳見文獻[7]。

根據(jù)文獻[9]可以得到TMT、隔離開關(guān)和斷路器的故障率參數(shù)，通過計算得到各設(shè)備的可靠度和平均無故障工作時間（表1）。

表1 各設(shè)備可靠度和平均無故障工作時間

根據(jù)文獻[10]可知交直交變流器單元的故障率ADA= 31 880 Fit，平均無故障工作時間ADA= 3.136 7×104h。

在得到上述各設(shè)備可靠性參數(shù)的基礎(chǔ)上，將同相補償裝置看作是上述設(shè)備相互串聯(lián)組成的模型，然后計算其可靠性參數(shù)。

考慮同相供電裝置中每個設(shè)備均正常的情況下，計算其可靠度為

式中，kn為協(xié)調(diào)控制器的可靠度，其故障率kn= 2×10-7次/h。

同相供電裝置的平均無故障工作時間CPD為1.963 8×104h，故障率CPD為50 921 Fit。

2.2 主變電所主接線可靠性評估

圖3為典型的主變電所電氣主接線圖。1#進線和2#進線均為110 kV進線電源，互為備用以滿足主變電所供電的連續(xù)性；圖中將主變壓器T和高壓匹配變壓器HMT作為一個整體進行考慮，T1（HMT1）和T2（HMT2）互為備用，正常情況下左側(cè)主變壓器投入工作，發(fā)生故障時，右側(cè)備用主變壓器投入工作；BLG為同相補償變流器ADA單元；BLG模塊后面接2個牽引匹配變壓器TMTT和TMTF；HMT、BLG、TMT共同構(gòu)成一套同相補償裝置，主變電所主接線中共設(shè)2套同相補償裝置，互為備用，接于補償母線K。正常工作時，2組進線、主變壓器、同相補償裝置均一主一備投入運行，隔離開關(guān)G23、斷路器DL19均斷開；當現(xiàn)用的外部電源故障時，隔離開關(guān)G23、斷路器DL19合閘，由另一回外部電源進行供電。設(shè)正常運行時T1（HMT1）、BLG1、1TMTT和1TMTF為一組投入工作，T2（HMT2）、BLG2、2TMTT和2TMTF為一組作為備用，則當左邊一組出現(xiàn)故障時，右邊一組才會投入工作。

主變電所引出4條饋線為供電網(wǎng)供電，每條饋線斷路器均采用100%備用方式。此處，定義主變電所正常工作狀態(tài)為4條饋線均能正常為供電網(wǎng)供電。

圖3 主變電所主接線圖

根據(jù)主接線圖畫出GO圖如圖4所示，圖中各操作符說明如表2所示。

圖4 主變電所主接線GO圖

主變電所主接線中主要電氣設(shè)備可靠性參數(shù)如表3所示，對于主變電所內(nèi)的其他設(shè)備如輸電線、避雷器、熔斷器等，其故障率相比主要設(shè)備低很多，可以簡化計算。

表2 主變電所主接線GO圖操作符說明

表3 主變主接線基本元件可靠性參數(shù)

根據(jù)各操作符的結(jié)構(gòu)、組成元件及參數(shù)，計算得到各操作符的等效可靠性參數(shù)（表4）。

表4 主變GO圖各操作符可靠性參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，按照GO法的計算原理計算主變電所可靠性特征量，計算結(jié)果如表5 所示。

表5 主變電所可靠性特征量計算結(jié)果

2.3 供電網(wǎng)可靠性分析

在統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中，供電網(wǎng)電壓等級為35 kV，采用交聯(lián)聚乙烯單芯電纜，每根電纜長度為1 km，不足1 km的部分近似按1 km計算。供電線采用2根單芯電纜分別作為供電線和回流線，考慮到2根電纜同時發(fā)生故障的概率很小，因此只需設(shè)置1根備用電纜即可。正常工作時2根電纜投入工作，1根電纜備用，采用50%備用方式。

在研究統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的電壓等級時，在供電網(wǎng)電壓等級為35 kV的情況下，分別選取接觸回路不同電壓等級對電壓損失進行計算。根據(jù)最大電壓損失要求、綜合經(jīng)濟性與接觸網(wǎng)現(xiàn)有電壓等級等因素選取接觸回路電壓等級為6 kV。

以成都地鐵某線路為實例進行供電網(wǎng)可靠性計算。該地鐵線路中設(shè)置1個主變電所，下面帶12個牽引變電所，各牽引所之間距離和供電臂長度等參數(shù)以及其50%備用方式下的供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 成都地鐵某線路50%備用方式下的供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻[11]，考慮實際施工中人為因素對電纜可靠性影響較大，取電纜故障率= 0.6，電纜平均維修時間= 3.28 h。

以牽引變電所3到牽引變電所4之間的電纜為例，單根電纜簡化為串聯(lián)等效結(jié)構(gòu)，其等效可靠性參數(shù)為

= 1 /R= 3.283 7 h （3）

3根電纜中至少要2根電纜同時正常工作，供電網(wǎng)才能正常工作，因此3根電纜組成一個3取2門。根據(jù)單根電纜計算結(jié)果可計算得牽引所3、4之間3根電纜的等效可靠性參數(shù)（表6）。

表6 牽引所3、4之間電纜整體可靠性（50%備用方式）

同理可計算其他各牽引所之間以及牽引所與開閉所之間的電纜可靠性參數(shù)，全程電纜可視為各牽引變電所之間和牽引變電所與開閉所之間的電纜串聯(lián)構(gòu)成，可求出全程電纜的可靠性參數(shù)（表7）。

表7 全程電纜可靠性參數(shù)

2.4 全線牽引變電所整體可靠性分析

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所采用單相牽引變壓器，從35 kV電纜供電線進線，然后通過單相變壓器將電壓降為6 kV饋出到接觸線。典型的牽引變電所電氣主接線如圖6所示。

圖6 牽引變電所主接線圖

根據(jù)牽引變電所電氣主接線圖畫出GO圖進行可靠性分析的步驟和方法均與主變電所相同，不再贅述。根據(jù)GO圖和電氣元件的可靠性參數(shù)對牽引變電所的可靠性進行計算，計算所得牽引變電所可靠性結(jié)果如表8所示。

表8 牽引變電所可靠性特征量計算結(jié)果

由圖5所示電纜50%備用方式下供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖可知，主變電所下設(shè)置12個牽引變電所，考慮牽引變電所具有一定的過負荷能力，在分析統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性時，認為12個牽引變電所中只要有任意2個牽引變電所故障系統(tǒng)即停止工作，不會再有新的故障發(fā)生，即可認為12個牽引變電所組成一個12取11門，根據(jù)GO法取門的計算公式和單個牽引變電所的可靠性參數(shù)可得整個牽引變電所模塊的可靠性特征量如表9所示。

表9 牽引變電所模塊可靠性特征量

2.5 接觸網(wǎng)可靠性分析

接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)可以參考文獻[12]獲得，接觸網(wǎng)的可靠性分析與供電網(wǎng)的可靠性分析相似，先求出牽引變電所之間的接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)，進而求出整個接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)。以牽引所1、2之間的接觸網(wǎng)為例，計算得其可靠性參數(shù)如表10所示。

表10 牽引所1、2之間接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)

將各牽引所之間以及牽引所與開閉所之間的接觸網(wǎng)段視為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，計算得各牽引網(wǎng)段的可靠性參數(shù)后，再經(jīng)過串聯(lián)計算得到全線接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)如表11所示。

表11 接觸網(wǎng)整體可靠性參數(shù)

3 運用GO法的系統(tǒng)可靠性分析

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)由主變電所、供電網(wǎng)、全線牽引變電所和接觸網(wǎng)4個部分串聯(lián)而成，根據(jù)前面對各個部分的可靠性分析結(jié)果，按照GO法對統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)進行GO運算，計算得統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性特征量如表12所示。

表12 統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性特征量

由接觸網(wǎng)可靠性特征量計算結(jié)果可以看出，接觸網(wǎng)本身可靠性相對其他部分來說較低，接觸網(wǎng)串聯(lián)在統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中會降低系統(tǒng)整體可靠性。統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)剔除接觸網(wǎng)部分的可靠性之后，得出其余部分可靠性的計算結(jié)果如表13所示。

表13 統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性（不含接觸網(wǎng)）

對表12和表13數(shù)據(jù)進行對比可知，由于接觸網(wǎng)在統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中屬于串聯(lián)模塊，且接觸網(wǎng)可靠性較系統(tǒng)中其他部分的可靠性低很多，因此其可靠性對統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的整體可靠性影響很大，考慮接觸網(wǎng)，整個統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的可靠性大大降低。由此看出，接觸網(wǎng)因其結(jié)構(gòu)特殊且無備用，是整個統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)中的組合式同相供電裝置解決了負序問題，對無功和諧波電流進行補償，改善了牽引網(wǎng)電能質(zhì)量；采用貫通式同相供電解決了干線鐵路中的過分相問題；采用交流供電系統(tǒng)解決了城軌交通系統(tǒng)中的直流問題。本文將GO分析法引入到統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的可靠性評估中，針對系統(tǒng)中的主要裝置和系統(tǒng)均建立了GO圖，進行了可靠性評估，找出了影響統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對統(tǒng)一牽引供電系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有一定參考價值。

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The combined type co-phase power supply technology adopted by the main substation under unified traction power supply system is able to solve problems of negative sequence and compensate the reactive power and harmonic current, improve the energy quality of traction power supply system, cancel the electrical phase break, and is able to solve the problems of locomotive’s passing through the phase break and stray current caused by the DC system. The paper assesses the reliability of unified traction power supply system by means of GO analyzing method, and analyzes the key links influencing the reliability of unified traction power supply system.

Unified traction power supply system; combined type co-phase power supply; GO analyzing method

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.003

U223.5+1

A

1007-936X(2018)06-0009-06

李海燕.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量分析與控制；

解紹鋒.西南交通大學電氣工程學院，教授；

孫鏡堤，張 凱.西南交通大學電氣工程學院,碩士研究生。

國家自然科學基金（編號：51877182）。